基于STEAM教育的“牛顿第二定律”中美教材的对比

摘   要：STEAM教育是培养创新人才、提升学生科学素养的重要途径，教材对比分析是优化教学的重要手段。对中美两版物理教材“牛顿第二定律”部分的教学目标、呈现顺序、重难点突破、习题、插图等方面进行对比，希望为设计高质量的STEAM课程提供借鉴。

关键词：STEAM教育;中美物理教材;对比研究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2022）9-0025-5

“STEAM”是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）和数学（Mathematics）5门学科英文名称首字母的缩写[1]。STEAM教育提倡使用多学科融合的思维和知识解决生活中的实际问题。

“牛顿第二定律”是物理学中动力学与运动学两大部分的“纽带”与“连接”，也是高中物理的重点和难点，具有重要意义。本节内容很好地融合了科学、技术、工程、数学、艺术各部分内容，十分适合进行STEAM教育的渗透。我们选择人民教育出版社出版的2019年版高中物理必修一教材（以下简称“人教版教材”）与美国高中物理教材《物理：原理与问题》（第二版）（以下简称“美版教材”）进行对比研究，旨在为本节课STEAM课程的展开提供参考。

1    课标对比

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中要求，通过实验探究加速度与物体质量、物体受力的关系[2]。学生需要理解牛顿运动定律，能用该定律解释生产生活中的有关问题;通过实验认识失重、超重等物理现象;能根据牛顿第二定律设计一种可以显示加速度大小的装置[2]。课程标准要求学生需要自主设计加速度测量装置，体现了STEAM教育中技术与工程的融合。

美国《新一代科学教育标准》（Next Generation Science Standard）（以下简称“NGSS”）中描述的学生需要达到的预期表现为：分析数据，支持观点“牛顿第二定律描述了一个宏观物体所受的净力、物体质量与加速度的数学关系”。NGSS中对科学与工程实践方面的要求为：用工具、技术和模型（如计算模型、数学模型）分析数据，从而得出有效和可靠的科学观点或一个优化的设计方案[3]。不难发现，NGSS中要求学生不仅需要理解牛顿第二定律的数学关系，还需要自行利用工具和模型优化设计方案，这体现了STEAM教育理念的科学、技术、工程、数学等方面的融合，并且强调了科学与工程实践方面的结合。

2    教材章节安排

人教版教材：本节内容是必修一第四章的第三节，在牛顿第一定律之后。人教版教材将牛顿第二定律安排在必修一第四章，学生在前面已经学习了运动学和相互作用的相关知识，形成相关的物理观念，具备建立物理模型的思维能力，为牛顿第二定律的学习作准备。

美版教材：相关内容位于第四章第一节“力和运动”。美版教材将牛顿第二定律安排在运动学之后，以分析加速度和力的探究实验展开。在这之前，教材解释了力、合力、接触力、净力等相关概念，并且简单介绍了一维合力的合成方法。

从两版教材的章节安排可以看出，牛顿第二定律均位于运动学和力学之后，学生在具有一定的力学知识后，可以更好地理解力与加速度之间的关系。人教版教材将相互作用设置为第三章，与牛顿运动定律分割开来，对知识点的连贯性有一定的影响。美版教材将力学与牛顿运动定律安排为一个章节，较有利于知识点的呈现，但难度相较于人教版教材有所降低。

3    教材对比

3.1    引入部分

人教版教材：由采用控制变量法的实验引入，分别探究物体加速度与物体受力、物体质量之间的关系，通过图像法进行数据处理。作出a-m图，拟合得到反比例函数图像;再给出a-图，得到过原点的正比例函数图像;绘制a-F图，得到正比例函数图像。从而得到结论：当质量一定时，加速度与力成正比;当拉力一定时，加速度与质量成反比。控制变量法是物理中重要的思想方法，学生掌握了控制变量法，对实验方案设计、实验操作的有序性、数据处理都有很好的促进作用[4]，有利于在教学过程中将STEAM教育中的各方面进行融合。

美版教材：先介绍力与合力的概念，让学生对矢量以及力的合成与分解有一定的认识，再由实验引入。采用实验方法引入，首先用恒力拉动小车，绘制v-t图，再改变力的大小并重复进行实验，得到不同的v-t图。通过分析图像和数学思维得出加速度与力成正比关系。

对比分析：人教版教材由实验引入，逻辑严密，符合建构主义中学生形成新知识的思维过程。美版教材由力学基本概念引入，为介绍牛顿第二定律的相关内容作准备。

3.2    知识点呈现顺序

两版教材中“牛顿第二定律”知识点呈现示意图如图1所示。

人教版教材：采用控制变量法，分别使小车的质量和拉力大小一定，探究小车加速度与小车受力、质量之间的关系—数据处理—作出a-m图、a-图、a-F图—得到加速度与物体受力、物体质量之间的关系—由力的单位推导比例系数—得到牛顿第二定律的表达式—应用练习—科学探究—课后习题。

美版教材：力（包括系统和外界，接触力，场力，施力物体与受力物体，受力分析图）—合力（净力）—加速度与力实验—以不同的恒力拉质量相同的小车，作出图像—斜率为加速度—改变恒力大小，作出不同的v-t图，拟合得到a-F图—用相同的恒力拉质量不同的小车，得到a-m图、a-图—得到物体加速度与物体质量、物体受力之间的关系—通过数学推导得到牛顿第二定律的表达式—应用练习。

对比分析：图1左侧为人教版教材的知识点呈现顺序，右侧为美版教材的知识点呈现顺序。相同点为都从探究实验出发，对STEAM教育中“科学—技术”结合方面有一定渗透，并且比例系数值的确定都由力的单位进行推导。通过函数图像，推导出牛顿第二定律的表达式，体现了数形结合的思想，融入了STEAM教育中“科学—数学”的结合。不同点为人教版教材中力学相关概念在本章并没有涉及，但在实验设置上更为严谨，增加了科学探究部分，在一定程度上体现了“科学—工程”的融合;美版教材加入了力学相关基础知识，为牛顿第二定律的学习作铺垫。

3.3    重点突破

教学重点：牛顿第二定律表达式F=ma的推导。

人教版教材：如图2所示，通过控制变量实验探究，图像法处理数据，得到a∝，因此推导得到F=kma，其中k是比例系数。若F，m，a都取国际制单位，可以人为地规定1 N=1 kg·m·s-2，则k=1。由此得到牛顿第二定律的表达式：F=ma。并且明确了F为合力，合力的方向与物体加速度的方向一致，体现了牛顿第二定律的矢量性。逻辑结构严密，整个推导过程体现出数学思维。

美版教材：如图3所示，在介绍了力的相关概念之后，探究加速度与力的关系。先用恒力拉动小车，作出v-t图，再改变拉力的大小，在v-t图中得到不同的直线。可以知道，直线的斜率为小车的加速度。结合对应的加速度与力，作出a-F图，得到小车的加速度与小车受力的关系。再改变小车的质量，重复实验，得到小车加速度与质量的关系。通过实验和图像法，结合数学思维，得到加速度与力的关系图像，从图像发现加速度与力成正比关系，再经过对图像的分析，解释斜率为，再由力的单位确定比例系数k，得到牛顿第二定律的数学表达式。推导过程需要学生有一定数学基础，学会将数学思维应用于物理实验。

对比分析：两版教材都是通过拟合函数图像的分析，得到物体加速度与物体受力、物体质量的关系，在数形结合方面有所涉及，推导过程都符合学生的逻辑思维，体现了STEAM教育理念中“科学—数学”结合的思想。教材的编写重视学生的数学基础，重视数学与物理跨学科衔接，避免出现跨学科知识的盲点[5]。但两版教材推导方式略有不同。人教版教材推导过程由比例式得到函数表达式，再通过力学单位制确定比例系数，推导过程逻辑呈直线型。美版教材由两次不同的实验得到两个函数图像，对图像进行总结分析，解释斜率，得到牛顿第二定律的表达式，推导过程逻辑呈并列型。

3.4    插图对比

物理概念普遍比较抽象，学生理解上存在一定困难，一些趣味性的插图可以起到很好的辅助教学的作用。

人教版教材：设置了9幅图，其中实物照片2幅，物理模型6幅，函数图像1幅。从物理模型图可以分析出物体的受力情况。实物照片为赛车照片与太空测量质量照片，让学生对牛顿第二定律的应用有直观的感受。

美版教材：设置了10幅图，其中实物照片2幅，物理模型5幅，函数图像3幅。实物照片为实验过程照片，让学生有关于实验的直观感受，便于模仿实验。物理模型图主要展示受力分析图，帮助学生了解力的相关概念。

对比分析：人教版教材设置了较为详细的物理模型图，包括受力分析图。美版教材多为卡通图画，具有趣味性，在教学过程中可以提供辅助作用。两版教材在插图设置上都丰富有趣，都涉及到生活中的实际情境，体现STEAM教育中“科学—技术”相融合的理念，也为学生在生活中解决实际问题设计方案提供了方法，这表现出“科学—工程”融合的思想。

3.5    例题、习题对比

（1）例题方面

人教版教材：教材中例题以汽车制动和启动问题为例，计算汽车制动时的阻力与以恒定牵引力启动时的加速度，涉及到牛顿第二定律的使用。第二道例题为小球在加速的列车中有一固定的偏角，已知偏角的角度为θ，通过对小球受力分析，运用牛顿第二定律计算列车的加速度问题。例题设置针对牛顿运动定律，与实际生活有一定关系。例题的解题过程对受力分析有一定涉及，帮助学生加强对所学知识的运用。

美版教材：例题为两人从不同的方向用大小不同的力拉枕头，计算枕头的加速度问题。例题设置较为简单，运用力的合成与牛顿第二定律进行解题，与所学内容紧密结合。

（2）习题方面

两版教材习题比较如表1所示。

人教版教材：课后习题设置了6道题，题量较小，基本都以生活情境为基础，内容涉及力的合成与分解、运动学，题目类型包括分析题和计算题。例如第1题为分析类习题，帮助学生理解牛顿第二定律的运用过程需要求解合力。第2至第6题都为计算类习题，包括已知物体受力求解物体的运动状态与已知物体运动状态求解物体受力两类，能很好地帮助学生运用牛顿第二定律解决实际问题，符合课程标准的要求。

美版教材：“练一练”设置了11道题，其中包括作受力分析图、求净力、牛顿第二定律的使用等方面。增加了较多的作图题，可以培养学生建立物理模型的能力。牛顿第二定律的使用包含已知物体受力情况求解物体加速度和已知物体加速度求解物体受力情况两类题目。题目结合生活情境，难度较小。

3.6    注释部分对比

注释指的是教材侧边空白处设置的小段文字，注释通常是对正文部分解释或者补充，可以很好地辅助教师的教学与学生的学习。分析发现，人教版教材与美版教材均设置了注释部分。

人教版教材：总共设置了三处注释，前两处位于第一小节“牛顿第二定律的表达式”部分，第三处位于第二小节“力的单位”部分。第一处注释对实验过程中对偏差的处理进行了解释，体现了科学严谨的态度;第二处注释强调物体所受力为合力，辅助学生理解牛顿第二定律;第三处注释对力的单位进行解释，填补学生在初中时对力的单位概念的空缺。从教材分析中发现，我国教材大多重视的是对科学知识的呈现，正文部分用大量篇幅介绍知识内容以及应用方式，对于科学知识的产生和认识过程、科学对社会的影响仅在非正文部分有所显现[6]。三处注释都对教材中正文部分进行补充说明，让知识的呈现更加丰富。

美版教材：总共设置了一处注释，说明了一些常见力的大小。注释部分列出了日常生活中常见的力的大小，让学生对力的单位与大小有了感性的认识。力的概念在教材中是首次出现，注释部分中的力的大小可以很好地将抽象的概念与日常生活的经验结合起来，有助于学生的理解。